프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(Fraunhofer ISE)가 자연냉매 R290(프로판)을 이용해 기존 공동주택의 가스·석유난방기를 대체할 수 있는 저충전 히트펌프 기술해법을 제시했다.

 

프라운호퍼 ISE는 ‘가스·석유기기 교체를 위한 프로판 히트펌프 솔루션 개발’을 주제로 수행한 ‘LCR290’ 프로젝트 최종보고서에서 세대형, 중앙실내형 및 중앙옥외형 R290 히트펌프의 냉매회로와 시스템구성을 개발하고 성능 및 안전성을 검증했다고 밝혔다.

 

LCR290의 목표는 기존 건축물의 가스·석유난방을 자연냉매 R290 히트펌프로 교체할 수 있도록 적용이 쉽고 여러 건물에 반복적으로 활용할 수 있는 솔루션을 개발하는 것이었다. 연구진은 △공동주택 세대별 가스보일러 교체 △지하 기계실의 중앙식 가스·석유보일러 교체 △옥외설치 대용량 히트펌프의 성능 향상 등 세 가지 적용분야를 중심으로 시제품과 시스템개념을 개발했다.

 

독일 임대주택 80%, 세대별 난방부하 6kW 이하

연구진은 공동주택용 히트펌프를 실제 주거환경에 적용하기 위해 주택규모, 난방부하, 기존 보일러 설치공간, 급탕수요 및 소음조건을 조사했다.

 

독일 임대주택 재고를 추정한 결과 전체 세대의 약 60%는 설계 난방부하가 4kW 미만이며 80%는 6kW 미만으로 분석됐다. 이에 따라 세대형 히트펌프는 3~6kW급을 기본 성능범위로 설정했다.

 

세대형 시제품의 개발목표는 △난방 출수온도 55℃ △급탕 출수온도 65℃ △R290 충전량 150g 이하 △230V·16A 전원 사용 △기존 벽걸이형 가스보일러와 유사한 크기였다. 중앙실내형과 중앙옥외형은 약 30kW의 난방능력과 SCOP55 3.4 수준을 목표로 개발됐다.

 

세대형 4.9~6.0kW·중앙형 최대 31kW 성능 확인

프라운호퍼 ISE는 냉매회로 및 구성부품을 선정한 뒤 세대형, 중앙실내형 및 중앙옥외형 시제품을 제작해 효율, 냉매충전량 및 난방능력을 측정했다.

 

세대형 RC1은 R290 충전량을 150g으로 제한하면서 4.9kW의 난방능력과 SCOP55 3.8을 달성했다. RC3는 충전량을 110g까지 줄이고 6.0kW의 난방능력과 SCOP35 4.4를 기록했다.

 

중앙실내형은 620~760g의 R290으로 28~31kW의 난방능력을 구현했다. 특히 두 번째 중앙실내형은 충전량 620g으로 SCOP55 4.1을 기록해 냉매충전량 감축과 고효율 운전을 동시에 실현할 가능성을 보였다. 중앙옥외형은 R290 2kg으로 30kW와 SCOP55 3.6을 기록했다.

 

SCOP35와 SCOP55는 난방수 온도조건이 서로 달라 수치를 직접 비교하기보다 각 적용환경에서의 성능으로 해석해야 한다.

 

연구진은 냉매충전량을 추가로 줄이고 효율을 높이기 위해 압축기 질량유량, 열교환기 내부체적, 냉매측 압력손실, 오일 내 R290 용해도 등의 영향을 분석했다. 중앙옥외형 냉매회로에서는 압축기를 최고 회전수로 운전하지 않은 상태에서도 최대 37kW의 난방능력이 확인됐다.

 

서리 생성에 따른 성능저하도 시뮬레이션

공기열원 히트펌프의 핵심 운전변수인 서리 생성과 제상운전에 대한 시뮬레이션모델도 고도화했다.

 

프라운호퍼 ISE는 핀튜브 열교환기에서 발생하는 서리의 생성과 성장, 공기측 압력손실 증가 및 성능저하를 예측하는 상세모델을 개발해 냉동사이클 시뮬레이션 소프트웨어인 IMST-ART에 통합했다.

 

상용 8kW급 공기–물 히트펌프 시험데이터로 모델을 검증한 결과 공기측 압력손실, 증발온도 및 COP의 평균 오차는 각각 ±1.2Pa, ±1.7K 및 ±6% 수준으로 나타났다. 연구진은 이를 통해 서리 축적에 따른 시간별 성능저하를 비교적 정확하게 예측할 수 있다고 평가했다.

 

약 125건 누설시험… 능동환기형 하우징 안전성 확인

R290는 지구온난화지수가 매우 낮은 자연냉매지만 가연성이 있어 실내설치 시 냉매충전량 감축과 누설 대응기술이 필수적이다.

 

LCR290은 △안전조치가 없는 기준시험 △실내 공기순환을 이용한 희석 △하우징의 능동환기 및 외부배출 △기존 굴뚝을 이용한 수동배출 △배수관을 이용한 중력배출 등 다섯 가지 안전개념을 대상으로 약 125건의 누설시험을 수행했다.

 

안전조치가 없는 시험에서는 높은 농도의 가연성 혼합물과 긴 체류시간이 관찰돼 별도의 안전개념 없이 실내형 R290 히트펌프를 운전해서는 안 된다는 결론이 나왔다.

 

실내 공기순환방식은 충분한 실내체적과 1~2분 안에 공간 전체를 혼합할 수 있는 송풍능력이 확보될 때 R290 농도를 낮게 유지할 수 있었다. 다만 설치공간의 체적을 제조사가 직접 통제하기 어렵고 능동환기형 하우징보다 적용 유연성이 낮은 것으로 평가됐다.

 

가장 견고한 방식은 밀폐형 하우징 내부를 팬으로 환기하고 누설된 R290를 건물 밖으로 배출하는 능동환기형 구조였다. 연구진은 이 방식이 제조, 설계, 설치 및 운전 측면에서 가장 큰 설계자유도를 제공하며 하우징 누설이 크고 환기풍량이 부족한 최악의 조건을 제외하면 설치공간에서 가연성 혼합물 형성을 억제할 수 있다고 평가했다. 기존 건물의 굴뚝도 배출덕트 인프라로 활용할 수 있다.

 

시험데이터를 대상으로 한 SHAP 분석에서는 △하우징 배기풍량 △하우징 기밀성 △R290 충전량이 바닥 부근의 중가스층 형성과 체류시간을 결정하는 가장 중요한 변수로 나타났다. 반면 자연환기량과 외부 풍속의 영향은 상대적으로 작았다.

 

굴뚝과 배수관을 이용하는 수동배출 방식은 별도의 팬동력이 필요하지 않다는 장점이 있지만 하우징 내부에 가연성 혼합물이 장시간 머무르는 문제가 확인됐다. 보고서는 굴뚝방식과 배수방식 모두 현 단계에서는 즉시 적용하기 어려우며 안전하고 견고한 운전을 위해 추가적인 연구와 최적화가 필요하다고 결론냈다.

 

“공동주택 적용 보편적 해법은 없어”

LCR290은 냉매회로뿐만 아니라 열원, 급탕, 축열, 수배관, 전기인입 및 건물배치 등을 함께 고려한 시스템평가를 실시했다.

 

보고서는 기존 공동주택에는 건축연도, 난방부하, 열원 가용성, 기계실 면적, 급탕방식 및 외부기기 설치조건이 서로 달라 모든 건물에 적용할 수 있는 하나의 보편적인 히트펌프 해법은 없다고 밝혔다. 대신 각 건물의 조건에 따라 시스템을 조정할 수 있는 여러 설계변수를 제시했다.

 

중앙식 시스템에서는 실내형과 옥외형 대용량 R290 히트펌프를 건물조건에 맞춰 선택하고 급탕을 세대에서 분산 처리해 순환배관 손실을 줄이는 방안이 제시됐다. 세대형 가스보일러 교체에는 R290 충전량 152g 미만의 소형 히트펌프를 적용할 수 있지만 급탕용 저장탱크의 설치공간 확보가 주요 과제로 지목됐다. 소형 저장탱크와 전기식 순간가열기를 조합하는 방식은 공간, 효율 및 전기인입용량 사이의 절충안이 될 수 있다.

 

중앙식 시스템을 여러 대의 소형 히트펌프로 구성하면 운전범위 확대, 설비고장 시의 부분운전, 난방과 급탕의 동시운전 및 압축기 기동횟수 분산 등의 효과를 기대할 수 있다. 연구진은 세 대의 히트펌프를 대상으로 한 시뮬레이션에서 난방과 급탕을 동시에 수행할 수 있으면서 수배관구성이 지나치게 복잡하지 않은 ‘Dedicated-II’ 구성을 유력한 방식으로 평가했다.

 

또한 동일 용량의 히트펌프를 복수로 적용하더라도 시스템효율은 서로 다른 용량을 조합한 경우와 큰 차이가 없어 제품표준화와 유지관리 측면에서는 동일 용량의 모듈을 사용하는 것이 유리한 것으로 분석됐다.

 

세대형 시스템에서는 난방과 급탕을 위한 탱크를 각각 설치하기보다 급탕탱크를 중심으로 시스템을 소형화하는 방식이 높은 계절효율을 확보하는 데 유리했다. 복합축열조는 난방과 급탕의 쾌적성을 안정적으로 확보했지만 조사대상에서는 계절성능계수가 0.6~1.1포인트 낮아지는 것으로 나타났다.

 

2인 가구는 60ℓ 저장탱크와 제한적인 보조히터 운전만으로도 적정한 급탕성능을 확보할 수 있었으며 PCM 축열조는 동일한 부피에서 전기히터 사용을 줄일 가능성을 보였다.

 

5개 기존 공동주택, 실제 설계과정 검토

연구진은 독일 내 5개 기존 공동주택을 대상으로 히트펌프 전환을 가정한 설계를 수행했다. 대상 건물은 1915년부터 1968년 사이에 건설됐으며 7~23세대로 구성됐다. 적용안에는 공기열원 중앙식 시스템, 기존 전기식 순간급탕기 유지, 가스보일러와 히트펌프의 하이브리드운전 및 지하수열원 히트펌프 등이 포함됐다.

 

기존에 세대별 가스난방을 사용하던 세 개 사례에서는 설계사들이 중앙식 히트펌프 전환을 기술적·경제적으로 유리한 방안으로 평가했다. 중앙화하면 에너지효율과 유지관리성이 향상되지만 모든 세대를 방문해 배관과 난방설비를 개조해야 하는 문제가 있다.

 

반면 공동주택 소유자가 여러 명인 주택소유자공동체에서는 세대별 의사결정과 자금사정이 서로 다르므로 외벽에 열원배관을 설치하고 세대별로 순차 교체하는 분산형 방식도 대안이 될 수 있다고 분석했다. 다만 이러한 단계적 전환방식은 수배관, 규제 및 운영조건에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 평가됐다.

 

규격상 난방부하만 적용 시 HP 과대설계 우려

기존 건물의 정확한 난방부하 산정도 핵심과제로 제시됐다. 포츠담 사례에서는 현장계측을 통해 산정한 설계외기온도 기준 난방부하가 73kW였지만 DIN 12831에 따른 계산값은 약 90kW로 나타났다. 보고서는 규격계산이 태양열 및 내부발열을 충분히 반영하지 못하고 실제보다 큰 환기손실을 적용해 건물의 난방부하를 과다 산정할 가능성이 있다고 지적했다.

 

가스·석유보일러와 달리 히트펌프의 과대설계는 잦은 기동과 정지를 유발해 운전효율과 수명에 불리할 수 있다. 이에 따라 규격상 난방부하뿐만 아니라 기존 설비의 운전데이터, 에너지사용량 및 현장 계측결과를 함께 활용할 필요가 있다는 분석이다.

 

5개 사례의 개략적인 특정투자비는 설치용량 기준 1,575~7,368.5유로/kW, 평균 5,665유로/kW로 산정됐다. 다만 이는 설계단계의 추정치로 전기인입 증설, 일부 토목·기초공사, 설계비 및 보조금 등이 반영되지 않았으며 표본수와 건물조건도 서로 달라 일반적인 시장가격으로 해석해서는 안 된다. 보고서 역시 5개 사례만으로 보편적인 투자비를 제시할 수 없다고 명시했다.

 

산업계 20개사 참여… 후속 제품개발 기반 마련

LCR290은 단일 연구기관 중심의 개발사업이 아니라 히트펌프 제조사, 부품기업, 주택사업자 및 에너지서비스기업 등이 참여한 산업플랫폼형 프로젝트로 추진됐다.

 

Bosch Thermotechnik, Danfoss, STIEBEL ELTRON, Vaillant, Viessmann Climate Solutions, WOLF 등을 포함한 20개 기업과 주택사업자가 산업자문위원회에 참여해 제품 및 건물 측 요구조건을 제시했다. Universitat Politècnica de València와 Freiburg대 INATECH도 연구에 참여했다.

 

프로젝트는 독일 연방의회의 결정에 따라 독일 연방경제에너지부가 지원했으며 Projektträger Jülich가 연구관리를 담당했다. 연구과제번호는 03EN4046이다.

 

프라운호퍼 ISE는 이번 연구를 통해 R290 충전량을 줄이면서도 기존 공동주택의 난방과 급탕수요를 충족할 수 있는 세대형·중앙형 히트펌프의 기술가능성을 확인했다. 또한 능동환기형 하우징, 복수 히트펌프 운전, 열원배관 및 기존 건물 설계절차를 함께 제시함으로써 관련 기업들이 후속 제품과 시스템을 개발할 수 있는 기반을 마련했다.